水占据了地球表面70%的面积，它不仅支撑着我们的生活，而且还可以作为一种可再生和清洁的能源。水以多种形式出现，包括雨滴，河流，海浪，潮汐，蕴藏着丰富的能量（全世界约75×1015W）。仅仅以雨滴为例，它蕴藏了非常可观的能量，却未得到重视。如能收集利用，即可成为太阳能电池的有效补充。如何利用雨滴撞击与聚并过程所释放的动能和表面能，并与太阳能电池或其他能量转换材料和器件集成，不仅是能源科技的重大科学问题，而且有广阔的应用前景。![]()
4滴水瞬间点亮400盏LED小灯泡
香港城市大学机械工程系王钻开教授，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，提出一种三极管型水滴发电机（droplet-based electricity generator, DEG），可以高效的将水滴落下时的动能转化为电能。4滴体积为100微升的水滴从15厘米的高度释放，可以瞬间点亮400盏LED小灯泡。相关论文以“A droplet-based electricity generator with highinstantaneous power density”为题，今日发表在国际顶尖期刊Nature上。论文的共同第一作者是香港城大机械工程学系的徐王淮、郑焕玺 、周晓峰（现为华东师范大学副教授），以及美国内布拉斯加大学林肯分校的刘源。其他合作者包括中国科学技术大学的徐晓嵘教授，香港城大能源及环境学院梁国熙教授、机械工程学系杨征保博士、博士后研究员张超博士和博士生宋雨欣，以及来自电子科技大学的邓旭教授。基于水滴撞击聚四氟乙烯（PTFE）材料表面，PTFE材料表面电荷会逐渐增多直到饱和，研究团队设计出了这种类似于三极管结构的独特水滴发电机，如图一所示，表层是负责产生并储存电荷的PTFE，外加一个铝（Al）电极，下层是作为另外一个电极的铟锡氧化物（ITO）。图一：a.水滴发电机的构造模型图; b.水滴发电机的实物图。水滴从高处落下，首先在PTFE表面铺展，然后收缩，直到脱离。当水滴在PTFE表面触及铝电极时，铝电极和PTFE之间的电势差让水中的正负离子发生定向流动，电路导通，产生电流，直到完全脱离（如图二所示）。这里，水滴类似于三极管结构中的栅极。如此周而复始，随着水滴不停的降落，可以持续而稳定的产生电流。单个DEG的输出电压可达150伏，输出电流为270微安，相比于传统的利用界面效应的发电机相比，相同实验条件下，DEG的输出电压和电流提升了约300倍和2600倍（如图三所示）。DEG的瞬时功率密度可达50.1瓦每平方米，是传统设计的上千倍。因此，DEG提供了未来实际应用的可能性。图三：相同实验条件下，DEG和传统的利用界面效应的发电机的输出电压和电流对比。另外，DEG的厚度仅为约0.5毫米，相当于10根头发丝的厚度，而且透明、光滑，对高湿度、低温等多种极端环境，均有较强的抵抗能力，将来可以灵活的将DEG广泛的集成在很多材料或者设备上，比如，雨伞、路灯、屋顶等等，可以在黢黑的雨夜为人们照明或者为家用电器提供电能。不久的将来，也许可以让DEG利用海洋中的波浪来发电，将海洋中蕴藏的巨大蓝色能源通过DEG设备转化成可以利用的电能，输送到千家万户，点亮万家灯火。https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6
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